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香港城市大學葉汝全教授、密蘇里大學閆政教授《Nano Lett.》:超靈敏、快速響應(yīng)、定向氣流傳感的仿生石墨烯纖維
2023-01-14  來源:高分子科技


  近年來新一代可穿戴式電子器件經(jīng)歷了爆發(fā)期的發(fā)展,其中用來監(jiān)測呼吸的氣流傳感器也是一種診斷源。除了可穿戴電子設(shè)備,氣流傳感器也在氣流傳感器在常規(guī)礦山工作、航空航天工業(yè)、天氣預(yù)報和新興生物醫(yī)學工程中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當前氣流傳感器的工作機理主要依靠熱敏(熱線、熱膜)光學和壓敏等方式。然而熱敏氣流傳感器耗能,響應(yīng)時間長。光學氣流傳感器需要精密且昂貴的儀器來獲取光學信息,這在許多應(yīng)用場景中是無法實現(xiàn)的。相比之下,壓阻式氣流傳感器在制備可行、成本低且易于收集信號方面表現(xiàn)出很強的優(yōu)勢。目前,由于金屬和固體半導體材料的固有性質(zhì),大多數(shù)氣流傳感器既笨重又易脆。此外,它們的靈敏度、響應(yīng)速度、檢測范圍和可擴展性對于具有不規(guī)則表面的可穿戴電子產(chǎn)品的使用并不十分理想


  為了解決上述問題,香港城市大學理學院葉汝全教授團隊和美國密蘇里大學的閆政教授團隊在受自然界生物形貌的啟發(fā)下利用激光誘導石墨烯(LIG)技術(shù)制備仿生石墨烯及設(shè)計出三種具有不同形貌的LIG氣流傳感,即棉花狀的多孔LIG(PLIG), 毛毛蟲絨毛狀的垂直LIG纖維(VLIGF)和鱗翅目鱗片狀的懸浮LIG纖維(SLIGF)(見圖1)。結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同會導致在應(yīng)力刺激下LIG不同的形變行為(見圖3在這三種LIG中,SLIGF的形變具有同向延伸的堆積特征,因此SLIGF是最有利于氣流的傳感。SLIGF可以實現(xiàn)最短的平均反應(yīng)時間0.5s,最高的靈敏度0.11 s/m,以及最低0.0023m/s的探測極限(見圖2),這個檢測的性能足以媲美甚至優(yōu)于最新的氣流傳感器性能(見圖4)。SLIGF的應(yīng)用可以被擴展天氣預(yù)報,識別莫爾斯電碼,監(jiān)測呼吸,針對全身癱瘓的失語癥交流等(見圖5)。相關(guān)研究成果以標題為“Ultrasensitive, Fast-Responsive, Directional Airflow Sensing by Bioinspired Suspended Graphene Fibers”發(fā)表在國際知名期刊《Nano Letters》上(IF=12.262), 文章第一作者是香港城市大學博士生黃麗蓓。該研究得到了深圳市科技計劃項目,國家自然科學基金青年科學家基金,國家海洋污染重點實驗室研究基金等項目的支持。 


1三種LIG的形貌。(a)棉花(b)毛毛蟲(c)蝴蝶的數(shù)碼照片。(d) PLIG eVLIGF (f) SLIGFSEM圖片(俯視圖)gPLIG放大SEM圖 (hVLIGFSEM側(cè)視 iSLIGF的放大SEM圖片。


2PLIG,VLIGF, SLIGF的氣體傳感性能測試。(a)氣體流速為1.4m/s時,PLIG, VLIGF, SLIGF的開關(guān)性能。(b)(a)圖的放大區(qū)域c)響應(yīng)和恢復(fù)時間的對比d)在0.0023-2.35 m/s 流速中的相對電流變化。(e)基于三種LIG氣體傳感器的靈敏度。 


3PLIG,VLIGF, SLIGF的氣體傳感的工作機理。(a) PLIG, (b) VLIGF, 和 (c) SLIGF 


4SLIGF的氣流傳感性能表征.a-c激光參數(shù)行間距對SLIGF氣體傳感的影響。(d)氣流方向示意圖。(eSLIGF-150在不同氣流角度下的開關(guān)特性。(fSLIGF-150在不同溫度下的相對電流變化。(gSLIGF-150在不同曲率半徑的相對電流變化。(hSLIGF-1501.4 m/s的氣流速度下的循環(huán)性能。(iSLIGF與其它文獻的傳感性能對比。 


5SLIGF傳感器的應(yīng)用。(a)在天氣預(yù)報中對風向和風速的識別。(b)識別和轉(zhuǎn)譯摩斯密碼 ‘‘LIG。(c)對于特定呼吸相關(guān)疾病的監(jiān)測診斷。(d)睡眠者或者全身癱瘓者示意圖。(e)全身癱瘓者的交流


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04228


  課題組鏈接:Home | Ruquan Ye lab | CityU HK (yeruquan.wixsite.com)

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